三峡升船机螺母柱结构受力状态及传力机制研究

三峡升船机螺母柱结构受力状态及传力机制研究

1预应力螺栓及预应力钢筋组合连接方式三大体积现代化船机的设计方案采用齿轮齿条勘探方案。升船机安全机构采用长螺母、旋转锁定短螺杆系统,具有内螺纹的螺母柱被固定在塔柱混凝土结构上(船厢段),具有外螺纹的旋转锁定短螺杆在螺母柱内运动,见图1。螺母柱结构主要由螺母柱(包括挤压凸齿)、预埋钢构件(包括挤压凸齿、工字钢、大头螺栓)、接缝灌浆材料、一二期混凝土、预应力钢筋、预应力螺栓以及贯穿钢筋组成。螺母柱通过预应力螺栓固定在预埋钢构件上,螺母柱和预埋钢构件之间的挤压凸齿交错布置,交错凸齿接缝用灌浆材料填充;预应力螺栓及预应力钢筋主要用于抵消螺母柱上的垂直荷载偏心作用而引起的螺母柱的水平方向的拉应力。作用于螺母柱上的锁定荷载通过灌浆材料和挤压凸齿系统,实现垂直、水平2个方向的传递。螺母柱结构各连接关系(取对称结构1/2横断面)如图2所示。从以上的连接形式和传力机制中可以看出,锁定荷载要完全地传递到塔柱结构上,4个方面起主要作用。①接缝灌浆:灌浆材料性能和灌浆工艺的选择关系到螺母柱的荷载能否传递到钢构件;②预应力系统:预应力螺栓和预应力钢筋能否抵消螺母柱上荷载的偏心作用引起的拉应力,同时预应力钢筋数量也是关系到能否把螺母柱的荷载传递给一期混凝土的影响因素;③大头螺栓:大头螺栓起到将预埋钢构件上的力传递到二期混凝土中去的作用,其数量关系到钢构件的传力效果;④一、二期混凝土间的结构缝:该结构缝的接触状态关系到螺母柱的荷载能否比较均匀地传递到塔柱结构上。以上4个方面能否达到预期目的,需对螺母柱结构的安全性及传力可靠性进行充分论证。螺母柱结构复杂,施工、安装难度大,国内外尚无成熟经验和设计案例可供借鉴,也无专门规范可供遵循。为此,通过仿真模型试验进行全面验证,为设计提供依据,也为以后类似工程提供借鉴。2模型试验研究2.1预应力螺栓柱的初始荷载根据试验要求及结构特点,试验采用1∶1和1∶2两个模型。前者重点研究挤压凸齿、灌浆材料、预应力螺栓和预应力钢筋的应力状态以及螺母柱与预埋钢构件之间的相对位移。后者重点研究预埋件工字钢腹板、工字钢翼缘、大头螺栓、贯穿钢筋、预应力螺栓和预应力钢筋以及一、二期混凝土等应力状态,研究螺母柱与预埋钢构件之间的相对位移,验证性检测挤压凸齿和灌浆材料的应力状态。模型模拟的荷载有:施工期预应力螺栓张拉荷载(390kN/根),预应力钢筋张拉荷载(900kN/根);运行期船厢锁定荷载,包括竖向荷载(铅直方向)和水平荷载(上下游方向);竖向荷载为15500kN,水平荷载为竖向荷载的15%。锁定荷载作用在一节螺母柱的端部(节与节之间分缝处),竖向荷载作用方向垂直向上,水平荷载指向混凝土内部。其中,“施工期”为预应力螺栓和预应力钢筋的预应力共同作用,“运行期”为船厢进水情况锁定荷载与施工期预应力共同作用。根据相似判据要求,1∶2模型的预应力和锁定荷载按原型的1/4施加。2.2模型的计算及验证1∶2模型模拟范围:取螺母柱结构的一侧作为研究对象(三排凸齿),高度方向取一节螺母柱长(5m),并在非锁定荷载作用端(分缝处)延长1m。为了使模型边界条件不影响试验成果的真实性,对1∶2模型的模拟范围做了多方案的有限元计算(线弹性)分析、比较,最后确定了现在的模型范围。为了说明1∶2模型的相似性,采用三维接触非线性有限元法分别按1∶2试验模型及其放大1倍的结构进行了对比计算分析。计算结果表明,两者的变形与应力成果满足相似要求。因此,仿真模型试验按1∶2比例尺模拟,其试验成果真实可靠。1∶2模型的钢构件分4个部分加工,即螺母柱、预埋钢构件的两侧工字钢及中间工字钢。挤压凸齿由实心钢材制作,与其它钢构件的连接采用无缝焊接,为了避免焊接变形及残余应力,焊接后采取退火工艺处理。所有钢构件由武汉船厂加工。2.3预埋钢构件、预应力钢筋混凝土预埋件的选用螺母柱、预埋钢构件、预应力螺栓、预应力钢筋、灌浆材料、钢筋、一、二期混凝土等材料特性与原型一致。螺母柱、预埋钢构件采用Q245A和Q345A钢材;预应力螺栓采用10.9级高强螺栓;预应力钢筋采用12.9级高强钢筋;混凝土预埋钢筋全部采用螺纹筋;混凝土标号为C30;灌浆材料采用德国Pagel公司的灰浆。模型各种材料及其物理参数实测值见表1。2.4预应力螺栓和预应力钢筋应变片、量测方式及测点布置模型中,在螺母柱、预埋工字钢及采用无缝焊接对称布置在其腹板上的大头螺栓、挤压凸齿、灌浆材料、贯穿钢筋、一、二期混凝土中共布置450多枚应变片,在每根预应力螺栓与预应力钢筋布置了180枚应变片,在螺母柱和预埋工字钢翼缘上布置了5对相对位移测点。其中预埋钢构件和钢筋的应变片采用预贴方式埋设,量测混凝土和灌浆材料的应变采用内埋应变砖方式。应变测量采用日本共和公司的自动采集系统UCAM-20PC和UCAM-70;位移测量采用德国HBM公司的位移传感器及UPM-100采集系统;少数位移测点采用百分表测量。图3为预埋工字钢腹板上布置的测点图。3试验结果3.1预埋钢构件与螺钉柱对比在螺栓预应力单独作用下,螺母柱与预埋钢构件y向相对位移在外侧为压缩,内部呈张开趋势;而在钢筋的预应力作用下,螺母柱与预埋钢构件y向相对位移趋势正好相反。两者相对位移叠加后,仍为压缩变形。在锁定荷载单独作用下,螺母柱与预埋钢构件之间y向都有张开的趋势,相对数值较小,预应力与锁定荷载共同作用下,仍为压缩变形。y方向与z方向相对位移最大值均位于加荷端,分别为0.015mm和0.031mm,沿加荷端向另一端逐渐减少。3.2预应力荷载分析(1)施工期。y方向的应力规律为:①边排凸齿应力以压为主,螺母柱凸齿最大压应力为61.45MPa,位于螺母柱分缝处,最大剪应力为15.49MPa;预埋钢构件凸齿最大压应力为67.91MPa,位于预埋钢构件分缝处,最大剪应力为26.75MPa。②中排凸齿有些测点产生拉应力,其中,螺母柱凸齿最大拉应力为5.17MPa,出现在螺母柱分缝处;预埋钢构件凸齿最大拉应力为1.65MPa,出现在预埋钢构件分缝处。z方向的应力规律为:①边排凸齿应力有的测点为拉,有的测点为压,压应力数值比y方向应力小;②中排凸齿绝大多数测点为拉应力,最大值为10.04MPa。对中排凸齿而言,预应力的综合作用效果不太明显,施加螺栓预应力后,中排凸齿大部分测点产生y向拉应力,甚至大于钢筋预应力所产生的压应力,所以两种预应力共同作用后,在中排凸齿测点中有的为拉应力,有的为压应力,应力绝对值不大。(2)运行期。①螺母柱边排凸齿外侧绝大多数测点在y方向和z方向为压应力,最大压应力为70.48MPa,位于加荷端头;最大剪应力为15.58MPa,位于螺母柱分缝处;②预埋钢构件边排凸齿外侧的绝大多数测点在y方向和z方向也为压应力,最大压应力为71.06MPa,最大剪应力值41.61MPa,均位于工字钢分缝附近。但在加荷端头,预埋钢构件边排凸齿在Z方向产生拉应力,最大值为7.85MPa。边排凸齿应力内外有别,预埋钢构件边排凸齿内侧大部分测点产生拉应力,最大拉应力发生在加荷端,数值为35.66MPa。③螺母柱中排凸齿在y方向和z方向均有拉应力产生,最大拉应力值37.28MPa,位于加荷端头;最大剪应力值为8.81MPa,位于螺母柱分缝附近。④预埋钢构件加荷端头,中排凸齿y方向和z方向均产生拉应力,最大拉应力为5.58MPa;最大剪应力值为6.38MPa,出现在工字钢分缝附近。(3)运行期应力相对施工期来说,边排凸齿y方向和z方向的压应力在加荷端头均有所减少,预埋钢构件加荷端头凸齿甚至还产生拉应力,其它测点z方向压应力增加,y方向压应力有的增加,有的减少;中排凸齿y方向和z方向拉应力在加荷端头增加,其它测点应力有的增加,有的减少;预应力荷载与锁定荷载基本上均与应变呈线性关系。说明构件之间传力效果比较理想。3.3z方向受力规律施工期,在边排凸齿边剖面灌浆材料中y向最大压应力为5.05MPa,出现在螺母柱分缝处;z方向产生拉应力,最大值为2.09MPa。在边排与中排凸齿中剖面灌浆材料中内埋测点的z方向应力均为拉应力,最大值为为0.66MPa。运行期,边、中排灌浆材料y与z方向受力规律变化与挤压凸齿应力相似。运行期与施工期应力比较,外侧凸齿边剖面中灌浆材料z方向压应力绝大多数有所增加,y方向压应力有的增加,有的减少,剪应力均有所增大。边排凸齿和中排凸齿中剖面上,预埋钢构件凸齿与螺母柱底板间z方向的拉应力有的增加,有的减少,螺母柱凸齿与预埋钢构件底板间z方向拉应力均有所增加。预应力荷载与锁定荷载基本上与应变呈线性关系。说明灌浆效果理想,构件与灌浆材料之间传力效果理想。3.4向拉压状态的影响螺母柱和工字钢翼缘是间断支撑的板结构,在离散分布的预应力作用下,其应力分布比较复杂,特别是z方向拉压状态和数值大小与测点距预应力螺栓的距离关系很大。运行期与施工期受力特点也与上同,即螺母柱翼缘测点大多数y方向压应力有所减小,有拉的趋势,z方向的拉应力有增有减;工字钢前翼缘y方向拉应力均有所增加,有拉的趋势,z方向的拉应力有增有减。工字钢后翼缘y方向和z方向的压应力均有所增加。3.5z方向应力施工期,边排工字钢腹板外侧面、中排工字钢腹板y方向应力,有的测点为压,有的测点为拉,最大应力为18.25MPa,出现在螺母柱分缝附近;z方向应力,大多数测点为拉应力,最大应力为1.88MPa。运行期,边排工字钢腹板边剖面上的应力,在加荷端下部产生拉应力,工字钢分缝处靠近凸齿边为拉,另一边为压。运行期与施工期比较,大多数测点z方向压应力增大,y方向拉应力增大。3.6螺栓底部轴向应力及拉应力施工期,大头螺栓根部x方向(轴向)产生拉应力,最大拉应力为5.78MPa,出现在边排端头内侧。运行期,大头螺栓根部轴向应力及拉应力均有所减少,剪应力均有所增加。最大拉应力5.46MPa,位于中排工字钢分缝附近,剪应力最大值5.87MPa,出现在工字钢分缝附近。3.7工字钢腹板应力值施工期,y方向(跨一、二期砼的贯穿钢筋)主受力钢筋的绝大多数测点为压应力,x方向(穿过工字钢腹板的钢筋)绝大多数测点为拉应力,最大值均位于工字钢分缝附近。运行期,y方向与x方向主受力钢筋应力状态与施工期一致,其中一、二期混凝土底界面上绝大多数钢筋测点为压应力,侧界面钢筋测点应力均为拉应力,说明一、二期混凝土底界面处于受压状态,侧界面处于受拉状态。3.8a.n.4模型中预应力螺栓和预应力钢筋张拉荷载分别为97.5kN和225kN,应力值分别为552.02MPa和781.64MPa。施加锁定荷载后,预应力螺栓在加荷端附近拉应力呈减少趋势,其他预应力螺栓拉应力呈增加趋势,预应力钢筋拉应力都呈增加趋势,预应力螺栓和预应力钢筋增值分别在2.03～4.20MPa和11.11～13.58MPa之间,预应力螺栓拉应力小于557MPa,预应力钢筋拉应力小于793MPa,均小于材料的抗拉强度。3.9超出试验的测试3.9.1加力和锁定荷载试验经与设计人员共同讨论决定,不考虑预应力钢筋的预应力,螺栓预应力只加到设计荷载的50%,再施加锁定荷载(只考虑垂直荷载)。采用这种超载试验是基于以下2方面考虑:一方面检验预应力的作用(最不利条件);另一方面由于荷载较大,考虑反力系统的安全性。3.9.2水平裂缝的出现当锁定荷载加到设计荷载的70%时,灌浆材料第一条裂缝出现在加荷端部,位于中排凸齿处,属水平裂缝;当锁定荷载加到设计荷载的90%时,第一条裂缝继续延伸,第二条裂缝也在加荷端部出现,出现在边排凸齿处,两边排凸齿均有裂缝,也属水平裂缝;当锁定荷载加到设计荷载的110%时,所有裂缝继续延伸,裂缝几乎贯通。锁定荷载加到设计荷值时的裂缝图见图4。4预应力的预压作用(1)因预应力螺栓与预应力钢筋的预应力作用位置不同,其对螺母柱与预埋钢构件预压效果也不一样。螺栓预应力对边排挤压凸齿的预压效果明显,但对中排挤压凸齿产生拉应力;而钢筋预应力的预压效果相反,其数值不大。两者综合效果,对边排挤压凸齿的预压效果较好,对中排挤压凸齿的预压效果不是很明显。(2)施工期和运行期,一、二期混凝土底界面均处于受压状态,侧界面处于受拉状态。表明钢筋预应力对一、二期混凝土底界面起到了预压作用。(3)运行期,在锁定荷载作用端,预埋钢构件凸齿和灌浆材料均存在拉应力,但拉应力区范围不大,从测点应力来看,灌浆材料的拉应力均小于3.0MPa。应力值均在设计强度以内,并有较大余度。(4